Welke maximaal toegestane ringspanning bij een interne manteltemperatuur van 500 graden bepaalt de levensduur van 100.000 uur kruipbreuk van 316 roestvrijstalen verwarmingsbuizen

Ontwerpspanningsbasis voor levensduur bij verhoogde temperatuur

Voor 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen die worden gebruikt in lucht- of gasverwarmingstoepassingen op hoge temperatuur met interne metaaltemperaturen van 500 graden, en in de binnenwand van omhulsels ondergedompeld in vloeistoffen met lagere temperaturen, is de maximaal toegestane ringspanning voor een kruipbreuklevensduur van 100.000 uur een belangrijke ontwerpparameter. Voor een ontwerp op kamertemperatuur is de vloeigrens de basis voor de toelaatbare spanning, terwijl voor een ontwerp op hoge temperatuur voor kruipbeperkte werking de spanningsniveaus zodanig zijn dat het onderdeel binnen zijn ontwerplevensduur niet zal scheuren door kruipcavitatie en korrelgrensscheuren. Voor 316 roestvrij staal bij 500 graden bedraagt ​​de gemiddelde spanning die breuk veroorzaakt in 100.000 uur (ongeveer 11,4 jaar continu gebruik) ongeveer 120-140 MPa, afhankelijk van de specifieke warmtechemie en de korrelgrootte. De maximaal toegestane ringspanning bedraagt ​​80-95 MPa met een gebruikelijke veiligheidsfactor van 1,5 voor ontwerpen tegen kruipbreuk (ASME Section VIII Division 2-methode). Het artikel geeft gekwantificeerde gegevens van kruipbreukspanning voor 316 verwarmingsmantels in het temperatuurbereik van 450 graden tot 650 graden en een methodologie om de veilige bedrijfsdruk en wanddikte te berekenen voor gebruik bij hoge temperaturen.

Kruipbreukmechanisme en het Larson-Miller-criterium

Bij roestvrij staal 316 treedt kruipbreuk op door korrelgrenscavitatie en scheurvoortplanting. De tijd tot breuk varieert met de temperatuur volgens een Arrhenius-relatie en met stress volgens een omgekeerde machtswet. De Larson-Miller-parameter (LMP=T × (C + log t_r), waarbij T de absolute temperatuur is in Kelvin, t_r de breuktijd in uren en C een materiaalconstante is, gewoonlijk 15-20 voor austenitisch roestvast staal) is een manier om kortetermijn-kruiptestgegevens te extrapoleren naar langere levensduur. Er zijn uitgebreide tests uitgevoerd op de 316 om een ​​kruipbreuksterkte na 100.000 uur bij 500 graden te bepalen tussen 110 MPa (ondergrens, 95% betrouwbaarheid) en 150 MPa (bovengrens) met een normaal gemiddelde van 130 MPa. De breuksterkte na 100.000 uur is 60-90 MPa bij 550 graden. En bij 600 graden daalt het tot 30-50 MPa. Bij 650 graden bedraagt ​​de breuksterkte na 100.000 uur slechts 15-25 MPa. Dit ligt onder de ringspanning als gevolg van interne druk in de meeste verwarmingsontwerpen en betekent dat de 316 geen levensduur van 100.000 uur kan bereiken bij 650 graden, ongeacht hoe dik de muur is, omdat kruipbreuk onvermijdelijk zal zijn. Het praktische resultaat is dat 316 verwarmingselementen met mantel, gebouwd voor een ononderbroken dienst van 100.000 uur (11,4 jaar), zodanig moeten worden geconstrueerd dat de maximale bedrijfstemperatuur van de mantel niet hoger is dan 530-550 graden, afhankelijk van de interne druk.

Toegestane spanning op de hoepel, gekwantificeerd voor een levensduur van 100.000 uur.

Tabel 4.3 toont de maximaal toelaatbare ringspanning voor 316 roestvrijstalen verwarmingsbuizen met een kruipbreukduur van 100.000 uur bij temperaturen tussen 450 graden en 650 graden. Er worden drie spanningswaarden gegeven, namelijk de gemiddelde spanning bij breuk (50% overleving), de ondergrensspanning (95% overleving, API/ASME-ontwerpbasis) en de voorgestelde toelaatbare ontwerpspanning (ondergrens gedeeld door een veiligheidsfactor van 1,25-1,5, afhankelijk van de code. Voor het ontwerp van de verwarmer met gebruikmaking van de gespecificeerde aanvaardbare spanning moet de maximale interne druk worden berekend op basis van de formule voor dunwandige ringspanning: P max=2 t σ allow / D gemiddelde, waarbij t de wanddikte is, en D gemiddelde de gemiddelde diameter.

Temperatuur ( graden ) Gemiddelde breukspanning (MPa) 100.000 uur ondergrens (95% overleving) Breukspanning (MPa) Aanbevolen ontwerp toegestane spanning (MPa) (SF=1.4 op ondergrens) Maximale hoepelspanning voor een levensduur van 100.000 uur (MPa) Typische toepassingslimiet 450 210-250 180-210 130-150 130 Onbeperkte service 475 170-200 145-175 100-125 110 Veilig voor de meeste verwarmingstoestellen
500 120-150 100-130 70-95 85 Standaardontwerpbasis 525 85-110 70-95 50-70 60 Gereduceerd ontwerp vereist 550 60-80 45-65 30-45 40 Korte-levensduur of lage-alleen 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginaal voor continu gebruik 600 25-40 18-30 12-20 15 Niet aanbevolen voor 100.000 uur 625 15-25 10-18 7-12 10 Onaanvaardbaar voor een lange levensduur
650 10-15 5-10 3-7 5 316 niet geschikt; upgrade legering
Interne druk en wanddikte omzetten in toelaatbare spanning

De aanbevolen ontwerp toelaatbare ringspanning voor een conventionele 316 verwarmingsmantel met een buitendiameter van 10 mm en een wanddikte van 1,5 mm (gemiddelde diameter 8,5 mm) is 85 MPa bij 500 graden, wat een maximale interne druk oplevert van P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 bar). Dit is ruim boven elke haalbare druk bij gebruik van dompelverwarmers, wat aantoont dat kruipbreuk bij 500 graden niet de beperkende factor is voor een dergelijke verwarmer; andere problemen zoals oxidatie of thermische vermoeidheid zullen domineren. Bij omhulsels met een grote diameter of bij hoge temperaturen wordt kruip beperkend. Voor een buitendiameter van 20 mm met een wand van 2,0 mm (gemiddelde diameter 18 mm) bij 550 graden (toelaatbare spanning 40 MPa) is de maximale interne druk slechts Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Dit kan te weinig zijn voor een verwarming op 550 graden in een systeem onder druk (bijvoorbeeld oververhit water of stoom met een druk van 80-100). De ontwerper moet de wanddikte vergroten, de temperatuur verlagen door de vermogensdichtheid te verminderen of het materiaal bijwerken.

Factoren die de sterkte van de kruipbreuk beïnvloeden

Kruipbreuksterkten in de tabel gelden voor 316 volledig gegloeide ASTM 6-8 (30-50 m) korrelgrootte. Drie dingen veranderen deze waarden. De eerste is de korrelgrootte. Grofkorrelig materiaal (ASTM 3-5, 50-80 µm) vertoont een 10-20% sterkere kruip-breeksterkte bij dezelfde temperatuur dan fijnkorrelig materiaal, omdat korrelgrenzen de dominante kruipcavitatieplaatsen zijn en grovere korrelgroottes minder grenzen per volume-eenheid materiaal en dus een lagere dichtheid van holtes betekenen. Een minimale korrelgrootte van ASTM 5 kan een extra marge opleveren. De tweede component is voorafgaand koudwerk: 10-20% koudwerk verhoogt de initiële sterkte, maar veroorzaakt een snelle spanningsvrijgave en herkristallisatie rond de 500-600 graden, wat leidt tot een slechtere kruipsterkte op lange termijn dan volledig uitgegloeid materiaal. Volledig uitgegloeid is beter voor beperkte kruipwerking. Het derde punt is de verdeling van carbiden. Materiaal met fijne intragranulaire carbiden (door correct gloeien in oplossing) geeft neerslagversterking waardoor de kruipweerstand toeneemt. Grove korrelgrenscarbiden (sensibilisatie) verminderen de kruipsterkte omdat de carbiden fungeren als kiemlocaties voor holtes. Fijne intragranulaire carbiden in een oplossingsgegloeide microstructuur zijn noodzakelijk voor toepassingen met kruipbeperking

Praktische bepaling van de manteltemperatuur voor berekeningen van de kruiplevensduur

De temperatuur van de binnenmantel (de metaaltemperatuur aan de binnenwand die de kruip van de druk-bevattende dwars-doorsnede regelt) van de verwarmer tijdens bedrijf is hoger dan de temperatuur van de buitenmantel gemeten in de procesvloeistof. Het temperatuurverschil over de muur is ΔT=(q × t) / k waarbij q de warmtestroom is (W/m2), t de wanddikte is en k de thermische geleidbaarheid van 316 is (ongeveer 20 W/m·K bij 500 graden). Voor een typische waterverwarmer met een buitenmanteltemperatuur van 90 graden en een wanddikte van 1,5 mm is de binnenmanteltemperatuur slechts 1-2 graden hoger, wat verwaarloosbaar is. Als de temperatuur van de buitenmantel 600 graden bedraagt, kan de temperatuur van de binnenmantel 620-630 graden zijn vanwege de temperatuurdaling langs de wand, wat de kruiplevensduur aanzienlijk zal verkorten. De warmteflux moet worden gebruikt om de berekende binnenwandtemperatuur te bepalen wanneer kruipbreukgegevens worden gebruikt, in plaats van de geregistreerde buitentemperatuur. Kruip is niet de levensbeperkende storingsmodus bij de meeste dompelverwarmingstoepassingen in vloeistoffen. Bij lucht- en gasverwarming boven een buitentemperatuur van 500 graden moet specifiek rekening worden gehouden met kruip.

Samenvatting: Toepassing van kruipbreukgegevens op het ontwerp van 316 verwarmingselementen

Voor 316 roestvrijstalen verwarmingselementen met een interne temperatuur van 500 graden is de maximaal toegestane ringspanning voor een kruipbreuklevensduur van 100.000 uur (11,4 jaar) 85 MPa (aanbevolen ontwerp toegestaan). Deze spanningswaarde maakt het mogelijk dat reguliere mantels met een kleine diameter (10 mm buitendiameter, 1,5 mm wand) bestand zijn tegen interne drukken tot 300 bar – veel hoger dan normale gebruiksomstandigheden. Bij 550 graden wordt de toegestane spanning teruggebracht tot 40 MPa en bij 600 graden tot 15 MPa, waardoor de levensduur van kruipbreuken bij veel verwarmingsontwerpen beperkt blijft. Ingenieurs die 316 mantels nodig hebben voor gebruik bij hoge temperaturen, moeten de binnenwandtemperatuur berekenen op basis van de warmtestroom en wanddikte, en vervolgens de wanddikte en werkdruk zodanig selecteren dat de resulterende ringspanning de toegestane waarden in de tabel voor de gewenste levensduur niet overschrijdt. De hier beschreven architectuur koppelt kruipbreukspanning aan temperatuur-, tijd- en veiligheidsparameters, zodat klanten 316 ingekapselde verwarmingselementen kunnen bouwen die 100.000 uur continu zullen werken zonder kruipstoring.